Методичка к лабораторной работе № 3: Исследование амперметров и вольтметров

Скачать

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Исследование свойств амперметров и вольтметров; выяснение возможностей их применения в различных условиях эксплуатации; изучение способов расширения пределов измерения.

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

Ознакомиться с устройством и принципом действия электромеханических амперметров и вольтметров, электронных вольтметров постоянного и переменного напряжения, сделать заготовку отчета, изучить контрольные вопросы.

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

1. Определить собственное потребление и сопротивление амперметра магнитоэлектрической системы.
   1. Определить собственное потребление и сопротивление вольтметра магнитоэлектрической системы.
   2. Определить методическую погрешность измерения тока.
   3. Определить методическую погрешность измерения напряжения.
   4. Проградуировать шкалу электромагнитного миллиамперметра в единицах напряжения.
   5. Снять частотную характеристику вольтметров электромагнитной и выпрямительной систем.
   6. Исследовать влияние формы кривой напряжения на показания вольтметров электромагнитной и выпрямительной систем. Определить ко- эффициенты формы и амплитуды.
   7. Рассчитать элементы схемы (шунт, добавочное сопротивление) для расширения пределов измерения амперметров и вольтметров магнитоэлек- трической системы.

УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ

Определение собственного потребления приборов

Собственное потребление амперметров и вольтметров определяется

потребляемой ими мощностью при номинальном значении тока IН

для амперметров и номинальном значении напряжения UН

для вольтметров. Мощность, потребляемая приборами постоянного тока, подсчитывается по следующим формулам:

для амперметров –

PA = IНUП , Вт,                                                 (1)

для вольтметров –

PV = IПUН , Вт,                                                (2)

где UП

• напряжение полного отклонения амперметра, IП

• ток полного от-

клонения вольтметра.

Для нахождения сопротивления амперметров и вольтметров использу-

ют формулы:

R = UП

A        I

Ом,                                            (3)

Н

R = UН

V        I

Ом.                                            (4)

П

Потребление вольтметров также часто характеризуется сопротивлением прибора, приходящимся на один вольт номинального напряжения:

R

ZV =    V

UН

Ом .                                           (5)

В

При измерении напряжения полного  отклонения  амперметра,  исследуемый прибор А_х (рис. 1) запитывают через резистор нагрузки RН от источника напряжения (0…2) В блока питания БП лабораторного стенда.

RН

1, 3 кОм

Рис. 1. Схема для измерения напряжения

В качестве амперметра А_х используют универсальный амперметр вольтомметр, например типа Ц-20, на пределах измерения силы постоянного тока, указанных преподавателем.

Перед включением схемы ручку регулировки напряжения блока питания устанавливают в крайнее левое положение.

После включения блока питания вращением ручки регулировки напряжения вправо указатель прибора А_х совмещают с конечной отметкой шкалы, соответствующей номинальному знаполного отклонения амперметра

чению тока

IН . Напряжение полного

отклонения UП

измеряют универсальным электронным вольтметром типа В7-38, имеющего большое входное со- противление. Результаты измерений занести в табл. 1.

Таблица 1

Предел измерения IН , мА	UП , В	PA , мВт	RA , кОм

Для измерения тока полного отклонения вольтметра применяют схему, изображенную на рис. 2. Вращением ручки регулировки напряжения из крайнего левого положения вправо указатель исследуемого прибора V_х совмещают с конечной отметкой шкалы, соответствующей номинальному значению напряжения UН .

В качестве вольтметра V_х используют тот же ампервольтметр (Ц-20) на пределах измерения постоянного напряжения, указанных преподавателем. Ток полного отклонения IП

определяют косвенным методом путем измерения падения напряжения на образцовом резисторе

R0 = 1,3

кОм

с помощью электронного вольтметра V ти- па В7-38 (входным током которого пре- небрегают ввиду его незначительности):

0

IП = UR    R0 .

Результаты измерений и расчетов за- нести в табл. 2.

Таблица 2

Определение методической погрешности измерения тока и напряжения.

Включение амперметра или вольтметра в цепь изменяет измеряемую величину. Это изменение вызвано тем, что сопротивление амперметра не равно нулю, а сопротивление вольтметра не равно бесконечности. Поэтому даже при использовании высокоточных приборов результат измерения отли- чается от того значения измеряемой величины, которое имело место до включения в цепь измерительного прибора.

Погрешность измерения, обусловленная включением измерительных приборов в цепь, называется методической и определяется по формуле:

γ = x2 — x1 ×100 % ,                                            (6)

x1

где

x1   и x2

• значения измеряемой величины соответственно до и после

включения измерительного прибора в цепь.

При измерениях тока и напряжения методическая погрешность тем больше, чем больше потребляемая прибором мощность по сравнению с мощ- ностью исследуемой цепи.

Для определения методической погрешности измерения тока исполь-

зуют схему, показанную на рис. 3.

В качестве амперметра A_х используют прибор Ц-20 на пределах измерения постоянного тока, указанных преподавателем. В качестве V используют электронный вольтметр типа В7-38.

Измерения проводят следующим образом:

а) замыкают перемычкой зажимы “1” и “2” и вращением ручки регулировки напряжения из край- него левого положения вправо устанавливают пока-

зания электронного вольтметра в пределах U₁ =

(0,3…0,4) В. Ток, протекающий через резистор определяется выражением:

RН ,

I = U1 ;                               (7)

1        R

б) размыкают зажимы “1” и “2”. Включение в цепь амперметра вызывает уменьшение тока в на- грузке до значения:

I = U 2 ,                              (8)

2        R

где U2

• показание электронного вольтметра после включения в цепь ампер-

метра А_х.

Результаты измерений и расчетов занести в табл. 3.

Таблица 3

Для определения методической погрешно- сти измерения напряжения собирают схему, пред- ставленную на рис. 4. В качестве V используют электронный вольтметр типа В7-38.

Измерения проводят следующим образом:

а) при отключенном V_х вращением ручки регулировки напряжения из крайнего левого по- ложения вправо устанавливают показания элек- тронного вольтметра в пределах U₁ = (1,3…1,5) В;

б) подключают вольтметр V_х (прибор Ц-20 на пределе измерения постоянного напряжения, указанного преподавателем) и записывают показание U₂

электронного вольтметра.

Результаты измерений занести в табл. 4.

Таблица 4

Градуировка шкалы электромагнитного миллиамперметра в единицах напряжения

При выполнении пп. 4 и 5 лабораторного задания миллиамперметр электромагнитной системы типа Э59 применяется в качестве вольтметра пе- ременного тока. В связи с этим необходимо проградуировать его шкалу (0…10) мА в единицах напряжения.

Для градуировки используют схему, изображенную на рис. 5, питаемую от низкочастотного генератора синусоидальных колебаний типа GAG- 810. Напряжение на приборе Э59 измеряют элек- тронным вольтметром переменного тока типа В3-

38. Градуировку выполняют на частоте 50 Гц.

Перед выполнением градуировки указатель прибора Э59 устанавливают на нуль механическим корректором, а сам прибор прогревают при полном отклонении указателя в течение 1,5 мин.

В процессе градуировки указатель прибора Э59 последовательно совмещают со всеми оцифрованными отметками его шкалы в порядке возрастания показаний и записывают соответствующие показания электронного вольтметра переменного напряжения.

Результаты занести в табл. 5 и по дан- ным таблицы построить градуировочный график U = ϕ ( I ).

Таблица 5

Проградуировать шкалу можно и расчетным путем, используя выражение, связывающее напряжение U на зажимах прибора с протекающим через него током I :

U = I

,                                           (9)

где R и L – соответственно сопротивление и индуктивность прибора Э59 (значения указаны на шкале прибора).

После экспериментальной и расчетной градуировки сравнить получен- ные кривые.

Снятие амплитудно-частотных характеристик вольтметров

Амперметры и вольтметры переменного тока предназначены для применения на определенной частоте или в определенном диапазоне частот. Отклонение частоты тока или напряжения от тех значений, на которые прибор рассчитан, может вызвать заметное изменение его показаний, т.е. привести к дополнительным частотным погрешностям.

Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) прибора называется зависимость его показаний от час- тоты при неизменном значении измеряемой величины (тока или напряжения). В работе снимают АЧХ вольт- метров электромагнитной (прибор Э59) и выпрями- тельной (прибор Ц-20 на пределе измерения переменного напряжения 7,5 В) систем по схеме, показанной на рис. 6. В качестве образцового прибора, показания ко- торого в заданном частотном диапазоне не зависят от частоты, используют генератор синусоидальных коле- баний типа GAG-810. Частотную характеристику сни- мают в диапазоне частот 20 Гц … 20 кГц. При пере- стройке частоты генератора показание его встроенного вольтметра, выбранное в пределах 4…5 В, необходимо поддерживать неизменным с помощью ручки “Рег. вы- хода”.

Результаты измерений занести в табл. 6, по данным которой построить графики частотных характеристик исследуемых вольтметров.

Таблица 6

Исследование влияния формы кривой напряжения на показания вольтметров

Электромагнитные вольтметры измеряют действующее (U ), выпрями- тельные вольтметры – среднее (Uср ) и электронные вольтметры с амплитудным детектором – пиковое (Um ) значения переменного напряжения. Однако

шкалы вольтметров переменного тока градуируют в действующих значениях синусоидального напряжения. Отсюда следует, что при несинусоидальной

форме кривой измеряемого напряжения в показаниях выпрямительного и электронного с амплитудным детектором вольтметров будет присутствовать погрешность.

Исследование влияния формы кривой напряжения на показания вольт- метров производится по схеме, показанной на рис. 7.

При выполнении работы электромагнитный (Э59), выпрямительный (прибор Ц-20 в режиме измерения переменного напряжения) и электронный типа В7-17 (В7-26) вольтметры сначала непосредственно подключают к вы- ходу низкочастотного генератора типа GAG-810, настроенного на частоту 50 Гц. Синусоидальность формы кривой измеряемого напряжения контролиру- ют осциллографом, например типа ОСУ-20. Показания вольтметров, которые в принципе должны быть одинаковыми, занести в первую строку табл. 7.

Затем генератор GAG-810 переключают в режим прямоугольных им- пульсов (схема такая же). Новые показания вольтметров занести во вторую строку табл. 7.

Таблица 7

По результатам измерений определяют коэффициенты формы ( KФ ) и амплитуды ( KА ) кривой напряжения:

ф

K   = U

= 1,11Uэм ;

Uср           Uвып

(10)

K = Um

= Uэл          ,

U       U

а

эм

где Uэм , Uвып , Uэл

• показания соответственно электромагнитного, выпрями-

тельного и электронного с амплитудным детектором вольтметров.

Расчет шунтов и добавочных сопротивлений (по указанию преподавателя)

Рассчитать шунт (добавочное сопротивление) для расширения преде- лов измерения ампервольтомметра Ц-20. Значения измеряемых токов и на- пряжений указываются преподавателем.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Устройство и принцип действия магнитоэлектрического, электромагнитного и электродинамического измерительных механизмов. Какие значения напряжения измеряют указанные приборы?
2. Какие электромеханические измерительные приборы пригодны для измерения постоянного тока, а какие — для переменного тока?
3. Амплитудно-частотные характеристики электромагнитного и электродинамического измерительных механизмов.
4. Устройство, принцип действия и область применения выпрямительных приборов.
5. Как зависят показания выпрямительных приборов от температуры окружающей среды? Как снизить влияние температуры?
6. Структурные схемы электронных вольтметров постоянного и переменного напряжений.
7. Амплитудно-частотные характеристики выпрямительных амперметров и вольтметров и электронных вольтметров с амплитудным (пиковым) детектором на входе.
8. Как определить собственное потребление амперметров и вольтметров постоянного тока?
9. От чего зависит методическая погрешность измерения тока (напряжения) и как ее определить экспериментально?
10. Как правильно выбрать амперметр (вольтметр) с точки зрения получения минимальной методической погрешности?
11. Почему показания выпрямительных и электронных с амплитудным детектором на входе вольтметров зависят от формы кривой измеряемого напряжения?
12. Для чего используются и как рассчитать шунты (добавочные со- противления)?